量子计算系统和装置的制作方法

1.本实用新型公开涉及一种量子电子装置，并且更具体地涉及一种量子计算系统和装置，用于在量子计算系统中选择性地移位(shifting) 量子比特谐振频率。


背景技术：

2.对于大规模的量子计算，期望有能力在量子计算系统中选择性地移位量子比特的谐振频率的。通过移位量子比特的谐振频率，该量子比特能够与在系统中的另一量子比特产生谐振。对于使用量子比特执行量子逻辑门操作，产生谐振的能力可能是重要的。


技术实现要素：

3.提供本实用新型内容以简化形式介绍概念的选择，以下在详细描述中进一步描述该概念的选择。本实用新型内容不是为了识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不是为了用来限制要求保护的主题的范围。
4.目的是提供量子计算系统和用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率的装置。前述和其他的目的通过独立权利要求的特征实现。其他的实现形式明显来自于从属权利要求、说明书和附图。
5.根据第一方面，用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率的装置包括：多个量子比特，其至少包括第一量子比特和第二量子比特，第一量子比特和第二量子比特分别具有相应的谐振频率；第一耦合控制谐振器和第二耦合控制谐振器，分别具有相应的谐振频率带；和耦合控制信号线，其用于将耦合控制信号至少馈送到第一耦合控制谐振器和第二耦合控制谐振器；其中第一耦合控制谐振器配置成，当耦合控制信号包括处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量时，移位第一量子比特的谐振频率，并且第二耦合控制谐振器配置成，当耦合控制信号包括处于第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量时，移位第二量子比特的谐振频率。该装置能够，例如，选择性地移位第一量子比特和/或第二量子比特的谐振频率。
6.在第一方面的一种实现形式中，该多个量子比特还包括第三量子比特和第四量子比特，第三量子比特和第四量子比特中分别具有相应的谐振频率，其中第一量子比特电容性耦合到第三量子比特，并且第二量子比特电容性耦合到第四量子比特。该装置能够，例如，选择性地使第一量子比特与第三量子比特产生谐振，和/或选择性地使第二量子比特与第四量子比特产生谐振。
7.在第一方面的另外实现形式中，该多个量子比特中的每个量子比特包括至少一个约瑟夫逊结(josephson junction)。该装置可以例如使用超导量子比特来实现。
8.在第一方面的另外实现形式中，该多个量子比特中的每个量子比特包括超导量子干涉装置(squid)。
9.在第一方面的另外实现形式中，耦合控制谐振器的谐振频率带位于小于第一量子比特的谐振频率和第二量子比特的谐振频率的频率范围内。该装置能够，例如移位量子比
特的谐振频率，而耦合控制信号可以不与量子比特的操作明显地相干扰。
10.在第一方面的另外实现形式中，第一量子比特的谐振频率的移位 (shift)与第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅成比例，和/或第二量子比特的谐振频率的移位与第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅成比例。因此，第一量子比特和/或第二量子比特的谐振频率，能够使用相应的频率分量的振幅来控制。
11.在第一方面的另外实现形式中，第一量子比特和第二量子比特彼此电容性耦合，并且当第一量子比特和第二量子比特设置为谐振时，在第一量子比特和第二量子比特上执行量子门操作。因此，第一量子比特和第二量子比特能够彼此产生谐振，以用于量子计算。
12.在第一方面的另外实现形式中，第一耦合控制谐振器配置成，通过调谐第一量子比特的约瑟夫逊电感(josephson inductance)来移位第一量子比特的谐振频率。该装置能够，例如有效地移位第一量子比特的谐振频率。
13.在第一方面的另外实现形式中，第一耦合控制谐振器配置成，通过感应磁通量通过第一量子比特、或通过引起电流流过第一量子比特来调谐第一量子比特的约瑟夫逊电感，以移位第一量子比特的谐振频率。该装置能够，例如在耦合控制谐振器和量子比特之间，经由磁耦合或经由电耦合来调谐约瑟夫逊电感。
14.在第一方面的另外实现形式中，该装置还包括：多条耦合控制信号线，其包括耦合信号线；和多个耦合控制谐振器，其包括第一耦合控制谐振器和第二耦合控制谐振器；其中该多个量子比特布置成矩阵，在多个量子比特中的每个量子比特具有相应的谐振频率，在多条耦合控制信号线中的每条耦合控制信号线对应于矩阵的列/行；其中在多个耦合控制谐振器中的每个耦合控制谐振器均配置成，当相应的耦合控制信号线中的耦合控制信号包括处于该耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量时，移位多个量子比特中的相应的量子比特的谐振频率。该装置能够，例如在多个量子比特中移位选择的量子比特的谐振频率。
15.应理解的是，以上描述的第一方面的实现形式可以彼此组合。多个实现形式可以组合在一起以形成另外的实现形式。
16.根据第二方面，量子计算系统包括：根据第一方面的装置；和控制单元，其电耦合到装置的耦合控制信号线，其中控制单元配置成：根据第一量子比特的谐振频率和多个量子比特中的另一量子比特的谐振频率之间的频率差，设置处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅；并且将耦合控制信号传输到耦合控制信号线。控制单元能够，例如使第一量子比特与该另一量子比特产生谐振。
17.在第二方面的一种实现形式中，控制单元还配置成，根据预先配置的耦合参数，设置脉冲的持续时间，脉冲包括处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量，其中预先配置的耦合参数表示在第一量子比特和另一量子比特之间的预期的耦合强度。控制单元能够，例如根据预先配置的耦合参数，控制在量子比特之间的耦合。
18.在第二方面的一种实现形式中，控制单元还配置成，将处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量和处于第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量频分复用到耦合控制信号中。控制单元能够，例如以减少的延迟或基本上同时地移位第一量子比特和第二量子比特的谐振频率。
19.应理解的是，以上描述的第二方面的实现形式可以彼此组合。多个实现形式可以组合在一起以形成另外的实现形式。
20.根据第三方面，用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率的方法，量子计算系统包括根据第一方面的装置，该方法包括：根据在第一量子比特的谐振频率和在多个量子比特中的另一量子比特的谐振频率之间的频率差，设置处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅；并且将耦合控制信号传输到耦合控制信号线。
21.根据第四方面，提供了计算机程序产品，其包括程序代码，程序代码配置成，当程序代码在计算机装置上执行时，执行根据第三方面的方法。
22.通过参考结合附图考虑的以下详细描述，将更好地理解许多附带特征，因为它们将变得更加容易理解。
附图说明
23.以下，参考附图更详细地描述了示例实施例，其中：
24.图1示出了根据一种实施例的装置的示意图，装置用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率；
25.图2示出了根据另一实施例的装置的示意图，装置用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率；
26.图3示出了根据一种实施例的模拟结果的示意图；
27.图4示出了根据另外的实施例的装置的示意图，装置用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率；
28.图5示出了根据一种实施例的，作为磁通量的函数的量子比特谐振频率的图表；
29.图6示出了根据另外的实施例的装置的示意图，装置用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率；
30.图7示出了根据另外的实施例的装置的示意图，装置用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率；
31.图8示出了根据一种实施例的量子计算系统的示意图；
32.图9示出了根据一种实施例的控制单元的示意图；并且
33.图10示出了根据一种实施例的方法的流程图。
34.以下，在附图中同样的附图标记用来指代同样的部分。
具体实施方式
35.在以下描述中，参考附图，这些附图形成公开的一部分，并且其中通过图示的方式示出了可以放置本公开的特定方面。应理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他方面，并且可以进行结构或逻辑上的改变。由于本公开的范围由所附的权利要求限定，因此，以下详细的描述不应视为限制性的。
36.例如，应理解的是，与描述的方法有关的公开也可以同样适用于配置为执行该方法的相应的设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则相应的设备可以包括执行描述的方法步骤的单元，即使该单元没有在图中明确地描述或示出。另一方面，例如，如果基于功能单元描述了特定的装置，相应的方法可以包括执行描述的功能的步骤，即使这种步骤没有在图中被明确地描述或示出。此外，应理解的是，除非另外特别指出，本文描述的各种示例方面的特征可以彼此组合。
37.图1示出了根据一种实施例的装置100的示意图，装置100用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率。
38.根据一种实施例，用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率的装置100，包括多个量子比特，其至少包括第一量子比特 101_1和第二量子比特101_2，第一量子比特101_1和第二量子比特 101_2分别具有相应的谐振频率。
39.第一量子比特101_1的谐振频率可以不等于第二量子比特101_2 中的谐振频率。
40.在多个量子比特中，每个量子比特的谐振频率可以在1-100千兆赫兹(ghz)的范围内，或在其任何子范围内，例如4-12ghz、4-10ghz 或4-8ghz。
41.第一量子比特101_1和第二量子比特101_2的谐振频率之间的频率差可以是，例如大于10兆赫兹(mhz)和/或小于1ghz。例如，频率差可以在10-300mhz的范围内。
42.装置100还可以包括第一耦合控制谐振器102_1和第二耦合控制谐振器102_2，第一耦合控制谐振器102_1和第二耦合控制谐振器 102_2分别具有相应的谐振频率带。
43.耦合控制谐振器102的谐振频率带可以指包括引起耦合控制谐振器102谐振的频率的频率带。谐振频率带可以通过耦合控制谐振器102 的物理特性和/或电特性来确定。
44.例如，在图1的实施例中，耦合控制谐振器102使用lc谐振器来实现，每个lc谐振器包括电容器和电感器。因此，在理想情况下，这种谐振器的谐振频率f0是
[0045][0046]
其中l是电感器的电感，并且c是电容器的电容。然而，由于缺陷，例如损耗，lc谐振器可能不仅会在单个谐振频率上谐振，而且在谐振频带上谐振。因此，耦合控制谐振器102可以用作带通滤波器。
[0047]
耦合控制谐振器102的谐振频率带的宽度可以使用，例如耦合控制谐振器102的半高全宽(fwhm)带宽限定。
[0048]
耦合控制谐振器的谐振频率带可以是，例如在1-10ghz的范围内，或在其任何子范围内，例如1-8ghz、2-7ghz、或1-5ghz。
[0049]
耦合控制谐振器102也可以称为带通滤波器、耦合带通滤波器或类似的。
[0050]
虽然耦合控制谐振器102的一些示例，例如lc谐振器，在本文的实施例中公开，但是耦合控制谐振器102也可以用各种其他的方式来实现，并且也可以使用各种其他的部件。在本文公开的任何实施例中，耦合控制谐振器102可以使用，例如任何类型的带通滤波器来实现。例如，耦合控制谐振器102可以使用对应于更高阶的带通滤波器d更复杂的几何形状来实现。这种更高阶的带通滤波器可以近似于理想带通滤波器的矩形频率响应。
[0051]
根据一种实施例，第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带和第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带不重叠或仅部分重叠。
[0052]
装置100还可以包括耦合控制信号线103，用于将耦合控制信号至少馈送到第一耦合控制谐振器102_1和第二耦合控制谐振器102_2。
[0053]
耦合控制信号线103也可以称为栅极总线或类似的。耦合控制信号线 103可以实现为，例如印刷电路板(pcb)上的走线、电缆、传输线、波导管或类似的。
[0054]
第一耦合控制谐振器102_1和/或第二耦合控制谐振器102_2可以电耦合到耦合控制信号线103。
[0055]
第一耦合控制谐振器102_1配置成，当耦合控制信号包括处于第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带中的频率分量时，移位第一量子比特 101_1的谐振频率；并且第二耦合控制谐振器102_2配置成，当耦合控制信号包括处于第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带中的频率分量时，移位第二量子比特101_2的谐振频率。
[0056]
第一耦合控制谐振器102_1可以配置成，响应于包括处于第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带中的频率分量的耦合控制信号，移位第一量子比特101_1的谐振频率。
[0057]
第二耦合控制谐振器102_2可以配置成，响应于包括处于第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带中的频率分量的耦合控制信号，移位第二量子比特101_2的谐振频率。
[0058]
耦合控制信号可以包括，例如交流电(ac)信号，例如射频(rf) 信号或微波信号。
[0059]
耦合控制谐振器102可以，通过调谐量子比特101的约瑟夫逊电感，移位相应的量子比特101的谐振频率。耦合控制谐振器可以，例如，使用量子比特101和ac磁通量脉冲的非线性，来调谐量子比特101的约瑟夫逊电感。例如，在图1的实施例中，由每个耦合控制谐振器102产生的磁通量可以与相应的量子比特101耦合。然后当耦合控制信号包括处于耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量时，磁通量能够移位量子比特101 的谐振频率。
[0060]
在耦合控制谐振器102_1、102_2的谐振频率带中的频率分量，导致通过相应的量子比特101_1、101_2的ac磁通量。平均来看ac磁通量导致用于量子比特101_1、101_2的更低的有效临界电流，因此增加了有效的约瑟夫逊电感(l
j
～1/i
c
，其中i
c
是临界电流，根据约瑟夫逊效应该临界电流与该通量成比例)，并且因此降低了量子比特101_1、101_2的有效谐振频率。
[0061]
例如经由在量子比特之间电容性耦合，移位可以使最初处于不同频率下的两个量子比特101产生谐振。当两个量子比特101处于谐振时，量子逻辑门操作可以在量子比特上执行。处于谐振中的量子比特可以成为纠缠的。在量子比特101之间的纠缠可能是需要的，以便使用量子比特101 实现各种量子逻辑门操作。
[0062]
由于每个耦合控制谐振器102能够具有不同的谐振频率带，因此能够将多个频率分量频分复用到耦合控制信号中。耦合控制谐振器102可以解复用来自耦合控制信号的频率分量。因此，每个频率分量均能够用于移位单个量子比特的谐振频率。这样，多个量子比特能够基本上同时地使用单个耦合控制信号线103被寻址。这能够简化芯片设计并且消除直流电(dc) 作为漂移源。
[0063]
在耦合控制谐振器102的谐振频率带中的频率分量，可以导致相应的量子比特101的量子谐振频率的移位。该频率移位可以与频率分量的振幅成比例。量子比特101可以对相应的耦合控制谐振器102的谐振频率带之外的频率分量保持不敏感。
[0064]
量子比特的参数可以在校准期间确定。在耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅能够根据参数配置，因为相应的量子比特的谐振频率的移位与振幅成比例。耦合电容的值也能够在校准阶段期间确定。耦合电容与量子比特在谐振时交换能量的速率有关，因此确定耦合控制脉冲的持续时间，以便量子比特交换期望量的能量。
[0065]
耦合控制谐振器102可以降低或升高相应的量子比特101的谐振频率。根据耦合控制谐振器102和/或量子比特101的实现方式，仅升高或降低量子比特101的谐振频率是可能的/实际的。
[0066]
在一些实施例中，可以通过降低一个量子比特的谐振频率并升高另一量子比特的
谐振频率使两个量子比特101产生谐振。
[0067]
根据一种实施例，第一量子比特的谐振频率的移位与处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅成比例，和/或第二量子比特的谐振频率的移位与处于第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅成比例。
[0068]
频率移位可以使得例如让第一量子比特/第二量子比特与装置100中的另一量子比特产生谐振成为可能的。第一量子比特/第二量子比特和另一量子比特可以是电容性耦合的。另一量子比特可以包括，例如第一量子比特/第二量子比特的最接近的相邻量子比特。频率分量也可以远在量子比特谐振频率以下，以至于耦合控制信号不与量子比特101的操作相干扰。
[0069]
根据一种实施例，耦合控制谐振器的谐振频率带位于小于第一量子比特的谐振频率和第二量子比特的谐振频率的频率范围内。这可以减少耦合控制信号和如以上描述的多个量子比特中的量子比特之间的干扰。
[0070]
根据一种实施例，多个量子比特中的每个量子比特101包括至少一个约瑟夫逊结104。
[0071]
例如，在图1的实施例中，每个量子比特101包括两个约瑟夫逊结 104。在其他实施例中，根据量子比特的类型，多个量子比特中的每个量子比特可以包括任何数量的约瑟夫逊结104。
[0072]
根据一种实施例，多个量子比特中的每个量子比特101包括超导量子比特。
[0073]
根据一种实施例，在多个量子比特中的每个量子比特101包括超导量子干涉装置(squid)。squid可以包括连接到环路的两个约瑟夫逊结。这种环路也可以称为squid环路。
[0074]
虽然此处一些实施例可能参考一定类型的量子比特公开，但是这些量子比特类型仅是示例性的。在本文公开的任何实施例，量子比特可以用任何方式实现，并且可以使用各种技术。
[0075]
多个量子比特可以包括，例如通量量子比特、相位量子比特、和/或跨子(transmons)。利用简单的电路改进，可以让不同类型的量子比特具有约瑟夫逊电感调谐功能。
[0076]
在一些实施例中，量子比特谐振频率的移位可以使用通过squid或约瑟夫逊结的ac(例如rf或微波)电流实现。类似的功能来自以下事实：在squid或约瑟夫逊结中，约瑟夫逊电感也可以由电流以与磁通量定性相似的方式控制。
[0077]
根据一种实施例，第一耦合控制谐振器102_1配置成，通过调谐第一量子比特101_1的约瑟夫逊电感来移位第一量子比特101_1的谐振频率。此外或可选地，第二耦合控制谐振器102_2可以配置成，通过调谐第二量子比特101_2的约瑟夫逊电感来移位第二量子比特101_2的谐振频率。
[0078]
根据一种实施例，第一耦合控制谐振器102_1配置成，通过感应磁通量通过第一量子比特101_1、或通过引起电流流过第一量子比特101_1来调谐第一量子比特101_1的约瑟夫逊电感，以移位第一量子比特101_1 的谐振频率。此外或可选地，第二耦合控制谐振器102_2可以配置成，通过感应磁通量通过第二量子比特101_2、或通过引起电流流过第二量子比特101_2来调谐第二量子比特101_2的约瑟夫逊电感，以移位第二量子比特101_2的谐振频率。
[0079]
图2示出了根据另外的实施例的装置100的示意图，装置100用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率。
[0080]
在图2的实施例中，除了第一量子比特101_1和第二量子比特101_2 外，多个量子比特还包括第三量子比特101_3。
[0081]
根据一种实施例，第一量子比特101_1和第二量子比特101_2彼此电容性耦合。例如，在图2的实施例中，第一量子比特101_1和第二量子比特101_2经由电容器电容性耦合到彼此。
[0082]
第一量子比特101_1和/或第二量子比特101_2可以电容性耦合到多个量子比特中的任何其他的量子比特。在图2的实施例中，例如，第二量子比特101_2电容性耦合到第一量子比特101_1和第三量子比特101_3。
[0083]
在图2的实施例中，第一量子比特101_1、第二量子比特101_2和第三量子比特101_3的谐振频率分别为6.8ghz、6.7ghz和6.6ghz。此外，第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带包括频率1.6ghz，并且第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带包括1.8ghz。因此，包括1.6ghz的频率分量的耦合控制信号，可以移位第一量子比特102_1的谐振频率，因为 1.6ghz分量通过第一谐振器102_1解复用，这进而调谐了第一量子比特 101_1的约瑟夫逊电感。类似地，包括1.8ghz的频率分量的耦合控制信号，可以移位第二量子比特102_2的谐振频率。
[0084]
装置100还可以包括第三耦合控制谐振器102_3，用于移位第三量子比特101_3的谐振频率。
[0085]
图3示出了用于图2的实施例中示出的装置的模拟结果的图表。
[0086]
图3的实施例分别示出了跨每个量子比特101_1、101_2、101_3的电压的模拟包络线201_1、201_2、201_3。图3的实施例还示出了耦合控制信号202，其包括两个脉冲203_1、203_2。
[0087]
图3的实施例仅示出了操作的原理，并且用于模拟的参数还未被优化。而且，没有直流电(dc)存在于任何波形中。而是，为了视觉的清楚，波形已经被移位。耦合控制信号202已经按比例缩小以适应该图。
[0088]
在模拟的开始处，第一量子比特101_1处于激发态，第二量子比特 101_2和第三量子比特101_3最初都处于基态。这可以在量子比特上的电压中观察到，201_1、201_2、201_3。
[0089]
在时间点t＝65ns处，通过频率为1.6ghz的30纳秒(ns)ac信号脉冲203_1，第一量子比特101_1与第二量子比特101_2发生谐振。因为第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带包括脉冲203_1的频率1.6ghz，所以第一耦合控制谐振器102_1将第一量子比特101_1的谐振频率向下移位至基本上与第二量子比特101_2的谐振频率匹配。
[0090]
因此，来自耦合控制信号线103的耦合控制信号202，经由第一耦合控制谐振器102_1被解复用并且被路由到第一量子比特101_1，即目标量子比特。第一量子比特101_1和第二量子比特101_2当其谐振时，通过电容性耦合交换能量。因此，能量从第一量子比特101_1转移到第二量子比特101_2，这可以从量子比特上的电压201_1、201_2观察到。
[0091]
在时间常数t＝315ns处，频率为1.8ghz的第二耦合控制信号脉冲 203_2使第二量子比特101_2与第三量子比特101_3产生谐振。因此，以如上描述的用于第一量子比特101_1和第二量子比特101_2的类似的方式，能量从第二量子比特101_2转移到第三量子比特101_
3。
[0092]
从图3的半经典分析中可以看出，耦合控制谐振器102能够，通过外部驱动以不同于量子比特101谐振频率的频率，调谐相应的量子比特101 的约瑟夫逊电感。这具有移位量子比特101的谐振频率的效果。耦合控制谐振器102能够解复用来自耦合控制信号202的不同的频率分量，使得合适的量子比特的谐振频率移位。不同的电路方案也可以实现相同的功能。
[0093]
在图3的实施例中，相较于量子比特101的谐振频率，在耦合控制信号202中的频率分量处于较低的频率。在其他实施例中，频率分量的频率可以高于量子比特101的谐振频率。在这种情况下，耦合控制信号能够引起时变频率控制，即，相应的量子比特的谐振频率可以在时间上变化。在时间平均后，这可能导致，例如在两个量子比特之间的能量的传递。
[0094]
然而，相较于低频率耦合控制信号，在关于如何使用高频率耦合控制信号来调谐量子比特101的电感中，可能存在一些质的差异。
[0095]
对于高频率耦合控制信号，在调谐期间，约瑟夫逊电感在耦合控制信号脉冲期间可以基本上为常数，而对于低频率耦合控制信号，约瑟夫逊电感(并且因此耦合)在时间上变化。
[0096]
图4示出了根据另外的实施例的用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率的装置的示意图。
[0097]
根据一种实施例，多个量子比特还包括第三量子比特101_3和第四量子比特101_4，第三量子比特和第四量子比特分别具有相应的谐振频率。
[0098]
第一量子比特101_1可以电容性耦合到第三量子比特101_3，并且第二量子比特101_2可以电容性耦合到第四量子比特101_4。
[0099]
使用耦合控制信号线103中的耦合控制信号，通过如本文公开的移位第一量子比特101_1的谐振频率，第一量子比特101_1可以与第三量子比特101_3发生谐振。
[0100]
类似地，使用耦合控制信号线103中的耦合控制信号，通过如本文公开的移位第二量子比特101_2的谐振频率，第二量子比特101_2可以与第四量子比特101_4产生谐振。
[0101]
第三量子比特101_3和/或第四量子比特101_4，可以经由相应的耦合控制谐振器耦合到耦合控制信号线103。可选地，第三量子比特101_3和 /或第四量子比特101_4，经由相应的耦合控制谐振器，也可以耦合到第二耦合控制信号线。装置100可以包括任何数量的耦合控制信号线。
[0102]
图5示出了根据一种实施例的，作为磁通量的函数的量子比特谐振频率的图表。
[0103]
在图5的实施例中，由于通过squid施加的磁通量φ，squid量子比特的谐振频率f
squid
500移位。因此，squid量子比特的谐振频率能够通过改变磁通量φ调谐。至少当简单的电路改进被施加到量子比特时，其他类型的量子比特可以表现类似的行为。谐振频率的类似调谐也可以经由电流而不是本文公开的磁通量来实现。
[0104]
图6示出了根据另外的实施例的装置100的示意图，装置100用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率。
[0105]
装置100可以包括多条耦合控制信号线103，多条耦合控制信号线103 包括耦合信号线。例如，在图6的实施例中，示出了两条耦合控制信号线 103。
[0106]
装置100还可以包括多个耦合控制谐振器102，其包括第一耦合控制谐振器和第二
耦合控制谐振器。例如，在图6的实施例中，示出了四个耦合控制谐振器102。
[0107]
多个量子比特可以布置成矩阵。在多个量子比特中的每个量子比特可以具有相应的谐振频率。在多条耦合控制信号线中的每条耦合控制信号线103可以对应于矩阵的列/行。例如，在图6的实施例中，示出了布置成矩阵的四个量子比特101。示出的量子比特101可以包括在量子比特的大矩阵中。
[0108]
在多个耦合控制谐振器中的每个耦合控制谐振器102可以配置成，当在相应的耦合控制信号线103中的耦合控制信号包括处于该耦合控制谐振器102的谐振频率带中的频率分量时，移位在多个量子比特中的相应的量子比特101的谐振频率。例如，在图6的实施例中，在多个量子比特中的每个量子比特101具有相应的耦合控制谐振器101。
[0109]
相应的耦合控制信号线103可以指，与提及的耦合控制谐振器102 在矩阵的同一列/行中的耦合控制信号线103。例如，在图6的实施例中，相应的控制信号线103可以指，与提及的耦合控制谐振器102在矩阵的同一列中的耦合控制信号线103，因为每条耦合控制信号线103 对应于矩阵的列。
[0110]
在多个量子比特中的每个量子比特可以分别电容性耦合到最接近的相邻量子比特。例如，在图6的实施例中，每个量子比特均电容性耦合到两个其他的量子比特。在更大的量子比特的矩阵中，每个量子比特101可以电容性耦合到至少三个或四个最接近的相邻量子比特。
[0111]
装置还可以包括多条旋转信号线501。每条旋转信号线501可以对应于矩阵的行/列。例如，在图6的实施例中，每条旋转信号线501对应于矩阵的列。
[0112]
装置100还可以包括多个旋转谐振器502。每个旋转谐振器502 可以耦合到相应的量子比特101。每个旋转谐振器502可以耦合到相应的旋转信号线503。因此，量子比特101的量子状态可以使用旋转信号线501旋转。
[0113]
装置还可以包括多条读出信号线503。每条读出信号线503可以对应于矩阵的行/列。例如，在图6的实施例中，每条读出信号线503对应于矩阵的行。
[0114]
装置100还可以包括多个读出谐振器504。每个读出谐振器504 可以耦合到相应的量子比特101。每个读出谐振器504可以耦合到相应的读出信号线503。因此，量子比特101的状态可以使用读出信号线 503测量。
[0115]
使用装置100，可以执行量子比特旋转，门，和/或测量量子比特的状态。这可以在没有增加装置100中所需的连接的数量的情况下完成。
[0116]
每个耦合控制谐振器103、旋转谐振器502和/或读出谐振器504 可以作为每个量子比特带通滤波器。因此，频率移位、旋转和读出能够在没有引起不想要的效果的情况下独立于每个量子比特101执行，而不会由于同一信号无意地同时作用在几个不同的量子比特101上而引入不想要的影响。
[0117]
图7示出了根据另一实施例的装置100的示意图，装置100用于在量子计算系统中选择性地移位量子比特谐振频率。
[0118]
根据一种实施例，第一耦合控制谐振器102_1配置成，通过引起电流流过第一量子比特来调谐第一量子比特101_1的约瑟夫逊电感，以移位第一量子比特101_1的谐振频率。
[0119]
图7的实施例中示出了使用电流流过量子比特101来调谐量子比特101的约瑟夫逊电感的示例。类似于以上描述的实施例，每个量子比特101均耦合到相应的耦合控制谐振器
102。每个耦合控制谐振器 102可以耦合到耦合控制信号线103。在图7的实施例中，当耦合控制信号包括处于第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带中的频率分量时，电流流过第一耦合控制谐振器102_1到第一量子比特101_1。因此，第一量子比特101_1的约瑟夫逊电感通过该电流调谐，并且第一量子比特101_1的谐振频率被移位。
[0120]
类似于经由磁通量调谐，当经由电流调谐约瑟夫逊电感时，处于耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量，可以是比相应的量子比特的谐振频率更低或更高的频率。像磁通调谐一样，具有比量子比特的谐振频率更低的频率的耦合控制信号提供了参数调谐机制，用于基本上同时控制约瑟夫逊电感。
[0121]
对于具有比量子比特的谐振频率更高的频率的耦合控制信号，存在用于有效约瑟夫逊结临界电流i
c,eff
的解析近似，i
c,eff
是耦合控制信号振幅和频率的函数。这可以表示为：
[0122][0123]
其中i
c
是在没有耦合控制信号的情况下约瑟夫逊结的临界电流，i1是耦合控制信号的电流振幅，φ0是通量量子，f是耦合控制信号频率， c是约瑟夫逊结的电容，并且j1是第一类贝塞尔函数(bessel function) 并且是一阶贝塞尔函数。这导致了能够被ac耦合控制信号(振幅i1，频率f)调谐的约瑟夫逊电感l
eff
，如：
[0124][0125]
然后谐振频率根据谐振条件移位：
[0126][0127]
使用谐振频率移位，第一量子比特101_1可以与第二量子比特101_2 产生谐振。
[0128]
以类似的方式，第二量子比特101_2和/或第三量子比特101_3的谐振频率可以移位。第二量子比特101_2可以与第一量子比特101_1 和/或第三量子比特101_3产生谐振。可选地或另外地，第三量子比特101_3可以与第二量子比特101_2产生谐振。
[0129]
每个量子比特101还可以包括并联电容器。并联电容器可以平行于每个量子比特的约瑟夫逊结布置。为了清楚，在图7的实施例中未示出并联电容器。
[0130]
当使用电流调谐量子比特101的约瑟夫逊电感时，量子比特101 可以包括单个约瑟夫逊结。这可以具有的优点是，让装置100对磁噪音和干扰更不敏感。对用于电流驱动的电流接触的需要，可能在电路设计上设置了一些挑战。
[0131]
图8示出了根据一种实施例的量子计算系统700的示意图。
[0132]
根据一种实施例，量子计算系统700包括装置100和控制单元701，控制单元701电耦合702到装置100的耦合控制信号线103。
[0133]
当系统700可操作时，装置100可以物理地位于低温恒温器或类似物。低温恒温器可以将装置100中的多个量子比特冷却至低温温度。如果在多个量子比特中的量子比特，例如是超导量子比特，则这可能是需要的。控制单元701可以位于低温恒温器外部。
[0134]
控制单元701可以配置成，根据第一量子比特101_1的谐振频率和多个量子比特中的另一量子比特的谐振频率之间的频率差，设置处于第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带中的频率分量的振幅；并且将耦合控制信号传输到耦合控制信号线103。
[0135]
可选地或另外地，控制单元701可以配置成，根据第二量子比特 101_2的谐振频率和多个量子比特中的另一量子比特的谐振频率之间的频率差，设置处于第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带中的频率分量的振幅；并且将耦合控制信号传输到耦合控制信号线103。
[0136]
耦合控制信号的振幅可以指，例如电流振幅、电压振幅、或耦合控制信号的电场振幅。
[0137]
另一量子比特可以包括，例如，第二量子比特101_2、第三量子比特 101_3，或多个量子比特中的任何其他的量子比特。另一量子比特可以电容性耦合到第一量子比特/第二量子比特。
[0138]
第一量子比特101_1/第二量子比特101_2的频率移位，可以与第一耦合控制谐振器102_1/第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带中的频率分量的振幅成比例。因此，控制单元701可以用以下方式设置振幅，使得第一量子比特101_1/第二量子比特101_2能够使用耦合控制信号与另一量子比特产生谐振。
[0139]
在第一量子比特/第二量子比特的谐振频率和另一量子比特的谐振频率之间的频率差，例如，可以被预先配置到控制单元701中。例如在系统 700的校准期间，可以执行预先配置。
[0140]
根据一种实施例，控制单元701还配置成，根据预先配置的耦合参数，设置脉冲的持续时间，脉冲包括处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量，其中预先配置的耦合参数表示在第一量子比特和另一量子比特之间的预期的耦合强度。
[0141]
可选地或另外地，控制单元701还可以配置成，根据预先配置的耦合参数，设置脉冲的持续时间，脉冲包括处于第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量，其中预先配置的耦合参数反应了在第二量子比特和另一量子比特之间的预期的耦合强度。
[0142]
耦合控制信号可以包括脉冲，该脉冲包括处于第一耦合控制谐振器/ 第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量。
[0143]
脉冲的持续时间，例如，可以是在1-100ns的范围内或在其任何子范围内，例如10-100ns、10-80ns或5-50ns，该脉冲包括处于第一耦合控制谐振器/第二耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量。
[0144]
在第一量子比特101_1/第二量子比特101_2与另一量子比特之间的耦合的强度，可以与脉冲的持续时间成比例。因此，控制单元701可以，通过调节脉冲的持续时间，控制在第一量子比特101_1/第二量子比特 101_2和另一量子比特之间的耦合的强度。在脉冲的持续时间和耦合强度之间的关系可以取决于耦合控制谐振器和/或量子比特的实现。
[0145]
预先配置的耦合参数，例如可以通过用户设置。预期的耦合强度可以取决于将通过量子比特执行的计算操作的类型。用户可能需要第一量子比特/第二量子比特和另一量子比特，例如执行量子逻辑门操作。因此，控制单元701可以根据被用户需要的量子逻辑门操作，设置预先配置的耦合参数。
[0146]
根据一种实施例，控制单元701还配置成，将处于第一耦合控制谐振器102_1的谐
振频率带中的频率分量、和处于第二耦合控制谐振器102_2 的谐振频率带中的频率分量频分复用到耦合控制信号中。
[0147]
处于第一耦合控制谐振器102_1的谐振频率带中的频率分量和处于第二耦合控制谐振器102_2的谐振频率带中的频率分量，例如，可以暂时重叠。因为第一耦合控制谐振器102_1和第二耦合控制谐振器102_2可以解复用来自耦合控制信号的频率分量，所以控制单元701可以以减少的延迟来移位第一量子比特101_1和第二量子比特101_2的频率。
[0148]
在图8的实施例中，虽然在装置100和控制单元701之间的连接702 示意性地示出为单个连接，但是控制单元701可以电耦合到装置100中的多条耦合控制信号线103。控制单元701也可以电耦合到装置100中的多条旋转信号线501和/或多条读出信号线503。因此，控制单元701可以配置成，在装置100中控制量子比特频率移位、旋转和/或读出。
[0149]
关于装置100的任何参数，例如在多个量子比特中的任何量子比特的谐振频率、在多个耦合控制谐振器中的任何耦合控制谐振器的谐振频率带、在耦合控制信号中的任何频率分量的振幅、和/或在耦合控制信号中的任何脉冲的持续时间，可以被预先配置到控制单元701。例如，预先配置可以在系统700的校准期间执行。
[0150]
图9示出了根据一种实施例的控制单元701的示意图。
[0151]
控制单元701可以包括至少一个处理器801。至少一个处理器801可以包括，例如一个或多个各种处理设备，例如协处理器、微处理器、控制单元701、数字信号处理器(dsp)、带有或不带有随附dsp的处理电路或各种其他的包括集成电路的设备，集成电路例如是专用集成电路 (asic)、现场可编程门阵列(fpga)、微处理器单元(mcu)、硬件加速器、专用计算机芯片等。
[0152]
控制单元701还可以包括存储器802。存储器802可以配置成，例如储存计算机程序等。存储器802可以包括一个或多个易失性存储装置、一个或多个非易失性存储装置、和/或一个或多个易失性存储装置与非易失性存储装置的组合。例如，存储器802可以实施为磁存储装置(例如硬盘装置、磁盘、磁带等)、光磁存储装置和半导体存储器(例如掩模rom、 prom(可编程rom)、eprom(可擦除prom)、闪存rom、ram (随机存取存储器)等)。
[0153]
存储器802可以包括，例如，预先配置的耦合参数、在第一量子比特 /第二量子比特的谐振频率和另一量子比特的谐振频率之间的频率差、和/ 或关于装置100的其他参数。
[0154]
控制单元701还可以包括未在图9的实施例中示出的其他的部件。控制单元701可以包括，例如，输入总线/输出总线，用于将控制单元701 连接到装置100。此外，用户可以经由输入总线/输出总线控制控制单元 701。例如，用户可以经由控制单元701和输入总线/输出总线控制量子计算操作，量子计算操作通过装置100执行。
[0155]
当控制单元701配置成实现一些功能时，一些部件和/或控制单元701 的部件，例如至少一个处理器801和/或存储器802，可以配置成实现这种功能。此外，当至少一个处理器801配置成实现一些功能时，这种功能可以使用例如包括在存储器中的程序代码实现。
[0156]
控制单元701，例如可以实现为使用计算机、一些其他的计算设备、或类似物。
[0157]
图10示出了根据实施例的方法900的流程图。
[0158]
根据一种实施例，方法900包括，根据在第一量子比特的谐振频率和在多个量子比特中的另一量子比特的谐振频率之间的频率差，设置901 处于第一耦合控制谐振器的谐振频率带中的频率分量的振幅。
[0159]
方法900还可以包括将耦合控制信号传输902到耦合控制信号线。
[0160]
例如，方法900可以通过控制单元701执行。
[0161]
在没有失去寻求的效果的情况下，本文给出的任何范围或设备值可以扩展或改变。同样，任何实施例可以与另一实施例组合，除非明确地不允许。
[0162]
虽然主题在语言上已经被描述到特定的结构特征和/或行为，但是应理解的是，在所附权利要求中限定的主题不需要限制到以上描述的特定的特征或行为。而是，以上描述的特定的特征和行为被公开为实现权利要求的示例，其他的等同特征和行为旨在处于权利要求的范围内。
[0163]
将理解的是，以上描述的益处和优点可以涉及多个实施例。实施例不限于那些解决陈述的问题中的任何一个或所有的实施例、或那些具有陈述的益处和优点的任何一个或所有的实施例。还将理解的是，提及“一种”项目可以指那些项目中的一个或多个。
[0164]
本文描述的方法的步骤可以用任何合适的顺序实现、或在合适的地方同时实现。此外，在不脱离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除单个框。可以将以上描述的任何实施例的方面与描述的任何其他实施例的方面相组合，以在没有失去寻求的效果的情况下形成其他实施例。
[0165]
术语“包括”本文用来指包括标识的方法、框或元件，但是这种框或元件不包括排他性列表，并且方法或装置可以包含附加的框或元件。
[0166]
将理解的是，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以进行各种改进。上面的说明书、示例和数据提供了示例性实施例的结构和使用的完整描述。虽然以上已经以某种程度的特殊性或参考一个或多个单独的实施例描述了各种实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本说明书的精神或范围的情况下对公开的实施例进行多种改变。